J a h r e s b e r i c h t 2 0 2 1 K r ä f t e b ü n d e n l . Z u k u n f t g e s t a l t e n .

2021 im Überblick Einblicke Nachhaltig. Sicher. Vorausschauend. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Kuratorium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Das Fraunhofer LBF in Zahlen 2021 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Forschung mit System! Digital Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Smart Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Reliability Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Circular Economy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Ultra Lightweight Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Future Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Einblicke Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Forschungsbereiche Betriebsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Adaptronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Einblicke LBF Management Team . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Der Jahresbericht 2021 – digital www.lbf.fraunhofer.de/jahresbericht Inhalt 3

Einblicke Nachhaltig. Sicher. Vorausschauend. Sehr geehrte Kunden und Partner des Fraunhofer LBF! Das Jahr 2021 stellte erneut die ganze Welt vor große und vielfältige Herausforderungen, die uns in den kom- menden Jahren wirtschaftlich, gesellschaftlich und poli- tisch, privat und beruflich betreffen. Veränderungsdynamik und Handlungsdruck sind spürbar groß, Diskussionen und Einschätzungen mitunter kategorisch und emotional. Das erschwert es, positive Perspektiven zu erkennen und greifbare Lösungen anzugehen. Mitunter scheint es, einfach mehr gemeinsamen Mut, ehrliches Verstehen und vertrauensvolle Entschlossenheit zu brauchen, um zügigen und nachhaltigen Fortschritt zu erreichen. »Wenn wir uns in einer Krise zu bewähren haben, dann werden uns auch die Kräfte zuwachsen.« (R. v. Weizsäcker). Insofern sehe ich in den Herausforderungen unserer Zeit hervorragende Chancen für unsere Zukunft! Wir haben auch im letzten Jahr unsere Zukunftsagenda konsequent fortgesetzt. Im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsprojekten haben wir unsere Kernthemen Leichtbau, Nachhaltigkeit und Digitalisierung über alle Phasen der Produktgestaltung über Absicherung und Nutzung bis hin zur kreislauforientierten Weiterverwer- tung für Anwendungen der Mobilität, der Kunststoff- technik und dem Maschinen- und Anlagenbau konti- nuierlich vorangetrieben. In einer Vielzahl eigener, kooperativer und direkt beauftragter FuE-Projekte hat unser Team neue Methoden zur zuverlässigen und betriebsfesten Gestaltung von Produkten und Verfahren, neue und effizientere Technologien zur numerischen, experimentellen und cyberphysischen Simulation, nach- haltige Lösungen für biobasierte und rezyklierte Kunst- stoffe sowie neue Strukturkonzepte für smarte, effiziente Leichtbaulösungen entwickelt. Eine Auswahl unserer Projekte haben wir in dem vorliegenden Jahresbericht anhand unserer Leistungsfelder für Sie zusammengefasst. Zu den Highlights unserer Aktivitäten zählen weitere Ent wick - lungen im Rahmen des Clusters Circular Plastics Economy und das letztjährig gestartete Projekt Waste4 Future, in denen wir nachhaltige Lösungen für das Recycling und den Einsatz von Kunststoffen erarbeiten. Zusammen mit dem jüngst gestarteten SUBI2MA-Projekt baut unser Team in diesen Forschungsvorhaben kontinuierlich seine Ange- bo te zur spezifischen Entwicklung von Additivsys te men aus nachwachsenden Rohstoffen zur Nachstabilisierung von Rezyklaten, zur Abbausteuerung von Kunststoffen oder zur Bereitstellung hochwertiger Substitut-Kunststoffe aus. Auch unser Leistungszentrum GreenMat4H2, in des sen Rahmen wir mit Partnern neue Technologien zur Zuver- lässigkeitsgestaltung von wasserstoff-beaufschlagten Materialien und Komponenten bereitstellen, tragen wir zur Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft bei. Dafür haben wir auch im letzten Jahr an Leichtbaulösungen für die Mobilität der Zukunft gearbeitet. In mehreren Projekten erforschen wir neue Struktur- und Auslegungs- konzepte, mit denen wir schwingungstechnische und akustische Eigenschaften von Strukturen durch soge- nannte vibroakustische Metamaterialien (VAMM) gezielt und atypisch einstellen und in Leichtbauweise realisieren können. Diese sind besonders in mobilen Systemen des Fahrzeugbaus außerordentlich interessant, jedoch werden sie auch für immobile Anwendungen entwickelt. Im Rahmen des Projekts ALBACOPTER® wird eine elektrisch, autonom fliegende Transportdrohne entwi- ckelt – erste Flüge mit Testsystemen wurden von Partnern durchgeführt. Aktuell wird das System- und Strukturkon- zept für ein Testsystem mit 7 Meter-Spannweite finalisiert und die fertigungstechnische Umsetzung eingeleitet. Im Rahmen des Projekts ECO2-LInE entwickeln wir additiv gefertigte Leichtbauteile aus naturfaserverstärkten 5

Einblicke Kuratorium Vielen Dank! Dr. Xenia Beyrich-Graf BASF SE, Ludwigshafen Dr. Christina Franke Robert Bosch GmbH, Renningen Prof. Dr. Mathias Glasmacher Diehl Stiftung & Co. KG, Nürnberg Prof. Dr. Tim Hosenfeldt Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach Dr. Patrick Kim Bridge Builder, Kassel Dr. Ralf Kunkel Audi AG, Ingolstadt MinR’in Dr. Ulrike Mattig Hessisches Ministerium für Wissenschaft und Kunst, Wiesbaden Prof. Dr. Matthias Oechsner Technische Universität Darmstadt, Darmstadt Dr. Kurt Pötter BMW Group, München Rainer Salomon FOSTA – Forschungs vereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf Florian Sprenger Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach MinR a. D. Norbert Michael Weber 7

Das Fraunhofer LBF in Zahlen 2021 29,2 Millionen € Gesamthaushalt* 42,2 % Wirtschaftserträge 12,1 % Rest 18,5 % EU 69,4 % Deutschland 22,2 % Öffentliche Erträge 14,1 % EU 1,3 % Sonstige 85,9 % Bund / Länder Betriebshaushalt 2021 [T €] Wirtschaftserträge Öffentliche Erträge Sonstige Erträge Interne Programme Institutionelle Förderung (Grufi) 11.531 6.068 324 5.697 3.673 Investitionen [T €] aus institutioneller Förderung Projekinvestitionen Summe 27.293 Summe * Gesamthaushalt = Betriebshaushalt + Investitionen 2 2 0 2 3 0 . . 4 1 : s u t a t S 1.818 92 1.909

Ressourcen klug nutzen für sichere, stabile und effiziente Prozesse Die industrielle Wertschöpfung ist geprägt von immer kürzeren Produktlebenszyklen bei gleichzeitig steigender Produktviel- falt mit teils individuell maßgeschneider- ten Eigenschaften und zudem verteilter Entwicklung, Reali s ierung und Nutzung der Produkte. Dazu kommen stei gende Anforderungen an Nachhaltigkeit und Ressour ceneffizienz ebenso wie eine höhere funktionale Komplexität von Systemen bei unterschiedlichen Betriebs- und Nutzungsszenarien. » Wir entwickeln die Werkzeuge für Ihre effiziente, digitale Produktentwicklung.« Vor diesem Hintergrund geraten Produkt- entwicklungsprozesse immer weiter unter Effizienz-, Kosten- und Flexibilisierungs- druck, z. B. durch die Reduk tion verfüg- barer prototypischer Systeme oder den steigenden Bedarf nach frühzeitigen, entwicklungsbegleitenden Entscheidungs- und Absiche rungsprozessen. Um dennoch die Anforderungen an Qualität, Sicherheit Digital Engineering und Zuverlässigkeit der Produkte zu gewähr leisten, bedarf es daher alterna tiver Entwicklungs werkzeuge und realitätsnaher digitaler Modelle. Das Ziel dabei ist es, durch geeignete Modellbildungen die Prog no següte des tatsächlichen Bauteil- und Systemver haltens so zu erhöhen, dass u. a. die Anzahl prototypischer Systeme reduziert und physische Validierungen durch virtuelle Analysen ergänzt und optimiert werden können. Im Leistungsfeld Digital Engineering entwickeln Forscherinnen und Forscher neue Methoden und, wenn nötig, kunden- spezifisch maßgeschneiderte Werk- zeuge, welche die virtuelle Abbildung von Entwicklungs-, Ab sicherungs- oder Validierungsprozessen zum Ziel haben. Innovative Modellierungs- und Simula- tionslösungen ermöglichen z. B. die Berücksichtigung erweiterter funk t ionaler Eigenschaften in Kunststoffbauteilen und in mechanischen Systemen bereits im frühen Gestaltungs- und Realisierungspro- zess. Gleichzeitig werden Nutzungsdaten aus der Praxis, der Fertigung und dem Betrieb zur validierten Modellbildung und Simulation integriert. Hierdurch können Einflüsse, Belastungen oder Schädigungen auf Material-, Bauteil- und Gesamt- systemebene realitätsnah digital abgebil- det werden. So lässt sich bereits frühzeitig im Gestaltungs- und Entwicklungsprozess die mögliche Variantenvielfalt für eine spätere Produktreali sierung minimieren. In Verbindung mit neuen cyber -physischen Methoden und Tools kann darüber hinaus eine durchgängige, entwicklungsbeglei- tende Validierung von Produkten und Produktfunktionen auf Bauteilebene realisiert werden. 11

3D-gedruckte Materialien werden auf ihr anisotropes mechanisches Verhalten geprüft. Die Ergebnisse dienen dann als Grundlage für die Struktursimulation. 3D gedruckte Teile mit Orientierung Kontakt Tamara van Roo +49 6151 705-8994 tamara.van.roo@ lbf.fraunhofer.de Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ 3d-teile Richtungsabhängige Materialeigenschaften von gedruckten Prüfkörpern 3D gedruckte Bauteile finden zunehmend auch in strukturellen Anwendungen Einsatz. In diesem Zusammenhang ist es relevant, die mechanischen Eigenschaften detailliert beschreiben zu können sowie für die Auslegung passende Methoden bereitzustellen. Im Projekt »AddiSim« werden diese Aspekte für selektiv laser- gesinterte (SLS) PA12 Bauteile untersucht. Dabei liegt ein Hauptaugenmerk in der Beschreibung des Einflusses der Positionie- rung und der Orientierung der Bauteile im Druckraum. In unterschiedlichen Ausrich- tungen gedruckte, aber baugleiche Teile besitzen sehr unterschiedliche mechani- sche Eigenschaften. Ziel des Projekts ist es eine vereinfach- te Methode zur Struktursimulation von additiv gefertigten Bauteilen anhand mechanischer Unter suchungen, z. B. Zug- prüfung, abzuleiten. Mittels des erarbei- teten Vorgehens werden umfangreiche Ergebnisse zum Verhalten des gedruckten Materials auf Grundlage einer detaillierten Vermessung des Druckraums ermittelt. Die am Fraunhofer LBF generierte Methode schließt wichtige Erkenntnisse ein, um SLS gefertigte Bauteile leichtbaugerecht und sicher zu dimensionieren. 3 D - D R U CK , SEL EK T I V E S L A SER S I N T ER N , Z U G P R Ü F U N G , S I M U L AT I O N 13

Künstliche Intelligenz für zuverlässig Elastomerprodukte. KI-Schadensanalyse von technischen Elastomeren Mit künstlicher Intelligenz komplexe Schadensfälle identifizieren und Analysen effizienter und genauer machen Technische Elastomere in Form von Dichtungen oder schwingungs tech- nischen Anwendungen sind unver- zichtbar. Diese Hightech Produkte kommen in Automobilen, Flugzeugen oder hydraulischen und pneumati­ schen Systemen zum Einsatz und sind höchsten Anforderungen wie Temperatur, Medien und mechani­ schen Belas tun gen ausgesetzt. Scha- densfälle be deu ten im Allgemeinen einen Stillstand ganzer Maschinen oder Systeme. Wirtschaftliche Verluste durch Produktionsausfall oder Gefahr für Leib und Leben der Anwender sind mögliche Folgen. Die KI-Schadens- analyse aus dem Fraunhofer LBF kann diesen Szenarien vorbeugen. Ist ein Schaden aufgetreten, bedarf es einer Schadensanalyse, um Abhilfe zu schaffen bzw. vorzubeugen. Schäden an Elastomer- produkten können vielfältige Ursachen haben, darunter Alterung, Fertigungsfehler, mechanische, thermisch oder klimatische Beanspruchungen. Eine gängige Methode zur Analyse zeigt u. a. die VDI 3822. Aller- dings sind Erfahrung und Fachkompetenz für eine umfangreiche Analyse nach dieser Methode nötig. Erschwerend kommt hinzu, dass durch unterschiedliche Ursachen bzw. komplexe Beanspruchungen ähnliche Schadensbilder entstehen können. Wäre es da nicht einfach, wenn eine künstliche Intelligenz diese Analyse vornimmt? Expertenteams aus dem Fraunhofer LBF entwickeln ein durch maschinelles Lernen trainiertes Modell, welches die Schadens- analyse anhand von bildgebenden, physi- kalischen sowie chemischen Verfahren und zusätzlich bereitgestellten Informa- tio nen automatisch durchführt und die Schadensursachen selbstständig bewertet. Um die KI erfolgreich zu trainieren, bedarf es einer sehr großen Menge an Daten. Wir schauen uns gemeinsam Ihre vorliegenden Schäden an und bewerten diese nach unserer Taxonomie. Mit Ihnen können wir Schadensanalysen effizienter machen! K I , S CH A D EN S A N A LY SE, EL A S TO M ER E Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ ki­schadensanalyse Kontakt Riccardo Möller +49 6151 705-408 riccardo.moeller@ lbf.fraunhofer.de Dr. Ali Golriz +49 6151 705-8857 ali.golriz@ lbf.fraunhofer.de 15

SmartSolutions Alles im Blick und alles im Griff zur Steigerung technischer Verfügbarkeiten Intelligente Sensorik zur gezielten Erfassung und Bewer tung großer Datenmengen, die zunehmende Vernetzung, die Funk tions verteilung und die echtzeitfähige, system- übergreifende Datenkommunikation sowie die Funktions steigerung und Mechatronisierung, all dies sind Treiber für die Digitalisierung moderner Produkte. Durch künstliche Intelligenz und Data-Based-Services können nicht nur Prozessketten in der Produktion analysiert, vereinfacht und optimiert werden. Sie ermöglichen auch eine an die aktuellen Umgebungs- und Einsatzbedingun gen ange passte Strukturüberwachung sowie eine aktive Beeinflussung der z. B. schwingungs technischen Eigenschaften von Maschinen und Fahrzeugen. » Neuartige Materialien und KI-basierte Lösungen für intelligente Zustands überwachung und Lärmbekämpfung.« Im Leistungsfeld Smart Solutions erforschen und ent wickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Hard- und Software-Lösungen, u. a. basierend auf Modellie- rungsansätzen des Digital Engineering, für Smart Main tenance-Anwendungen, zur Prognose und Vermeidung von unge planten Maschinen- und Systemausfällen und zur Steige rung technischer Verfügbarkeiten. Ein weiteres Thema ist die gezielte Be einflus- sung schwingungstechnischer Eigenschaften von Strukturen in mobilen Systemen, wie Fahrzeugen sowie in Maschinen und Anlagen. In beiden Fällen kommen Methoden des maschinellen Lernens zur erweiterten Analyse wachsender Datenmengen in Verbindung mit intelligenten Sensoren und Sensornetzwerken sowie integrierter Aktorik zum Ein- satz. Noch weiter gehen die Arbeiten mit sogenannten Metamaterialien. Diese haben hohes Potenzial zur strukturintegrierten Beeinflussung und Einstellung z. B. akustischer oder strukturdynami scher Eigen schaften, um unerwünschte Schwin gungen und Schall- abstrahlung zu reduzieren oder alternativ einzustellen. Die ange strebte Verknüpfung von den in der Zuverlässigkeit, Schwingungstechnik und Werkstofftechnik etablierten Methoden mit neuen datengetriebenen, digitalen An sätzen ist zudem ein wichtiger Baustein für die Entwicklung und Realisierung intelligenter Leichtbaustrukturen. 17

Smart Solutions Konstruktive Optimierung einer intelligenten Schraubverbindung und zuverlässige Auslegung gegenüber Betriebsbeanspruchungen Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ schraubverbindung Intelligente Schraubverbindung als geschlossenes Gesamtsystem (rechts) oder mit aufsetzbarem Zusatzmodul (links). (© Fraunhofer CCIT) Eine regelmäßige Überwachung von funkti- ons- und sicherheitsrelevanten Schraubver- bindungen ist in vielen Anwendungsfällen zwingend erforderlich, oft jedoch nur mit hohem Zeit- und Kostenaufwand möglich. Mit der intelligenten Schraubverbindung des Fraunhofer Clusters CCIT ist ein völlig neues Condition / Structural Health Monito- ring verfügbar, welches es ermöglicht, die Überwachung einer Schraubverbindung energieautark, drahtlos und entweder in einem zeitlich adaptiven Rhythmus oder on-demand zu realisieren. Innerhalb des Clusters entwickelte das Fraunhofer LBF hierfür das Mechanikkonzept, welches die Verwendung von handelsüblichen DIN-Schrauben ermöglicht. Mittels FEM- Analysen wurde das Design im Bereich der Sensoren auf Basis lokaler Spannungsver- teilungen konstruktiv optimiert. Im Rahmen von Belastungsszenarien wurden die Funktion und Zuverlässigkeit der Sensorik validiert. Erste Schwingfestigkeitsversuche mit dem Gesamtsystem der intelligenten Schraubverbindung lassen erwarten, dass ein zuverlässiger Betriebseinsatz sowohl hinsichtlich der mechanischen Beanspruch- barkeit als auch der Datenübertragung gewährleistet ist. Anwendung findet die intelligente Schraub- verbindung in nahezu allen technischen Bereichen, von Offshore Strukturen und Windenergieanlagen über Anlagen und Maschinenbau bis hin zu Brücken und Gebäudefassaden. SCHWINGFESTIGKEI T, INTELLIGENTE SCH R AU BV ER B I N DU N G, CO N D I T I O N / S T R U C T U R A L H E A LT H M O N I TO R I N G Kontakt Dr. Klaus Lipp +49 6151 705-243 klaus.lipp@ lbf.fraunhofer.de Dr. Jörg Baumgartner +49 6151 705-474 joerg.baumgartner@ lbf.fraunhofer.de 19

Smart Solutions F P M U R T © ProKInect – Herstellerübergreifende Zustandsüberwachung in Werkzeugmaschinen Langlebig und zuverlässig durch kollaborative künstliche Intelligenz Betreiber moderner Werkzeugma- schinen stellen höchste Anforderun- gen an die Maschinenverfügbarkeit und -zuverlässigkeit. Qualitätsab- weichungen im Fertigungsprozess durch beginnenden Verschleiß oder eine Fehlfunktion lassen sich mit bestehenden Ansätzen zur vorbeu- genden und prädiktiven Wartung nicht zweifelsfrei einem Bauteil oder einer Komponente zuordnen. Daher besteht bei Herstellern, Betreibern und Bedienern moderner Werkzeug- maschinen der Bedarf, das quali- tätsbestimmende Zusammenwirken einer Vielzahl von verbauten Kom- ponenten und der Werkzeugmaschi- ne selbst zu verstehen, Zustandsver- änderungen frühzeitig zu erkennen und Produktionsaus fälle proaktiv zu vermeiden. die Erklärbarkeit von KI-Systemen im Bereich der Zustandsüberwachung und der prädiktiven Instandhaltung. Primäres Ziel ist es, Expertenwissen zu fehlerindu- zierten Symptomen, kausalen Wirkzu- sammenhängen und der fortlaufenden Instandhaltung lückenlos, systematisch und automatisiert in transparente KI-Modelle zu überführen. Das für die Zustandsüberwachung relevante Exper- tenwissen wird dabei in probabilistische, wissensbasierte Kausalmodelle überführt, die eine Differentialdiagnose verschiede- ner Fehlerursachen auf Basis der erfassten Symptome und Zusatzinformationen ermöglichen. Für die laufende Zustands- diagnose entwickelt das Fraunhofer LBF hybride KI-Modelle, die auf den gewon- nenen Netzstrukturen der probabilisti- schen Kausalmodelle basieren und die die Trainierbarkeit und Leistungsfähigkeit künstlicher neuronaler Netze besitzen. Wissensbasierte KI-Architektur und nachvollziehbare KI-Modelle Mit seinen Forschungsarbeiten im Rahmen von ProKInect verbessert das Fraunhofer LBF CO N D I T I O N M O N I TO R I N G , K Ü N S T L I CH E I N T EL L I G EN Z , P R O G N O S T I CS A N D H E A LT H M A N AG EM EN T Kontakt Jonathan Millitzer +49 6151 705-8218 jonathan.millitzer@ lbf.fraunhofer.de Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ prokinect 21 ProKInect

Reliability Design Mit weniger mehr erreichen in Bezug auf Komplexität, Stabilität und Zuverlässigkeit Immer leichtere Materiallösungen und Strukturen auf der einen Seite und immer komplexere Produkte und Systeme auf der anderen Seite prägen die Produktentwick- lung in vielen industriellen Bereichen. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an die Zuverlässigkeit solcher Systeme. Schließlich können Ausfälle und Versagen in diesem Zusammenhang schnell kritische wirtschaftliche, öko logische oder gesundheitliche Wirkungen nach sich ziehen. » Unsere Forschungsarbeiten ermöglichen zuverlässige Produkte durch zuverlässige Prozesse.« Das Leistungsfeld Reliability Design repräsentiert eine wesentliche wissenschaftliche Ausrichtung des Fraunhofer LBF. Dabei geht es nicht nur allein um die Sicherstellung der Lebensdauer von Materialien, Komponenten und Produkten. Vielmehr zielen die Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten in diesem Leistungsfeld darauf ab, alle Phasen der Produktentstehung, -nutzung und -verwertung immer umfassender mit ihren Wechselwirkungen zu verstehen und zu beschreiben, so dass Validierungs- und Absiche rungsprozesse konti nuierlich in den frühen Gestaltungsprozess vorverlagert werden können. Ganz im Sinne eines »Design to Reliability« werden Lösungen des Digital Engineering mit neuen Entwurfs- und Simu lationsmethoden verknüpft. Basie- rend auf realitätsnahen Anwendungsdaten zu typischen mechanischen, klima tischen, elektrischen und kombi n ierten multiphysikalischen Lasten entstehen damit Werkzeuge und Verfahren, die eine zuverlässige Ausle gung von Strukturen bereits im Entwurfs- stadium umfassend berücksichtigen. Heute vielfach immer noch übliche »Sicherheits- zuschläge« können so in Zukunft bei gleichbleibender oder gesteigerter Zuverlässigkeit von Materialien, Bauteilen und Produkten immer weiter reduziert werden, wodurch moderne Lösungen an Grenzen des Machbaren möglich werden. 23

Welche Materialeigenschaften beeinflussen die Lebensdauer? Wir schauen ganz genau hin. Verbesserte Lebensdauer von Elastomeren Vorhersage auf Basis von chemischer Struktur und mechanischen Eigenschaften In dem Projekt »ProElasto« beant- worten unsere Wissenschaftlerin- nen und Wissenschaftler die Frage, welche Materialeigenschaften die Lebensdauer eines Elastomers beein- flussen. Dafür werden die chemi- sche Vernetzungsstruktur und die mechanischen Eigenschaften eines rußgefüllten Elastomers systematisch in Bezug auf die Lebensdauer in zyklischen Ermüdungsversuchen untersucht. Für die Bestimmung der Lebensdauer des Materials werden die zyklischen Ermüdungsversuche auf zwei Lastniveaus durchgeführt. Die Zahl der Zyklen bis zum Versagen auf einem festen Lastniveau kann ebenso wie die mechanischen Eigenschaften mit dem Vernetzungsgrad und der mittleren Schwefelbrückenlänge korreliert werden. Eine längere Lebens- dauer kann dabei sowohl mit einem niedrigeren Vernetzungsgrad als auch mit einer längeren mittleren Schwefelbrücken- länge erreicht werden. In einem nächsten Schritt muss dann geprüft werden, inwie- weit die Ergebnisse von der untersuchten Elastomermischung auf weitere Elastomer- zusammensetzungen übertragbar sind. Eine möglichst geringe Zahl an Versuchen ist hierbei das Ziel. Zusätzlich könnten weitere strukturbestimmende Einflüsse, wie zum Beispiel die Verarbeitungsbe- dingungen, in eine Modellbildung zur Vorhersage der Lebensdauer in zyklischen Ermüdungsversuchen einbezogen werden. S T R U K T U R - EI G EN S CH A F T S - B E Z I EH U N G EN , Z Y K L I S CH E ER M Ü D U N GS V ER SU CH E, VO R H ER S AG E Kontakt Franziska Kirsch +49 6151 705-8646 franziska.kirsch@ lbf.fraunhofer.de Timo Sandkühler +49 6151 705-563 timo.sandkuehler@ lbf.fraunhofer.de Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ elastomere 25

Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ polymerblends Verbesserte Fließfähigkeit im Spiraltest des Polyamid 6 Blends (rechts) im Vergleich zu kommerziell verfügbarem wärmeleitfähigen Polyamid 6 (links). Entwicklung wärmeleitfähiger Polymerblends Wärmeleitfähige Polyamid 6 Blends mit hoher Fließfähigkeit Anwendungen, bei denen Wärme über- tragen werden muss, benötigen Werk- stoffe mit einer ausreichenden Wärme- leitfähigkeit. Solche Werkstoffe werden beispielsweise in elektronischen Bauteilen und in der Beleuchtungstechnik benötigt. Eine ausreichende thermische Leitfähigkeit wird bei Kunststoffen durch die Zugabe von Füllstoffen in hohen Gehalten erreicht. In der Folge verändern sich die übrigen, kunststofftypischen Eigenschaften stark und oft nachteilig. Dies betrifft beispiels- weise die mechanischen Eigenschaften und äußert sich in einer oft geringeren Schlagzähigkeit. Im Projekt »HEATCOP« untersuchten Forscher des Fraunhofer LBF, wie sich kunststofftypische Eigenschaften durch Blending gezielt verbessern lassen, ohne die Wärmeleit fähigkeiten zu reduzieren. WÄ R M EL EI T EN D E K U N S T S TO F F E, T ECH N I S CH E K U N S T S TO F F E, F O R M U L I ER U N GS EN T W I CK LU N G Das IGF-Vorhaben 19502N zum Thema „Neue Strategien zur Reduzierung des Füllstoffgehalts wärmeleitender Kunststoffcompounds“ der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Kunststoffe e.V. (FGK) wurde über die Arbeits- gemeinschaft industrieller Forschungsvereini- gungen „Otto von Guericke“ e. V. Kontakt Dr. Frank Schönberger +49 6151 705-8705 frank.schoenberger@ lbf.fraunhofer.de Shilpa Khare +49 6151 705-8739 shilpa.khare@ lbf.fraunhofer.de im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. 27

Nachwachsende und upcycling- fähige Rohstoffe auch für anspruchsvolle technische Anwendungen Kunststoffe sind ein integraler Bestand- teil unseres Alltags. Sie bieten vielfältigste materialtechnische Lösungs möglichkeiten für eine breite Anzahl von Anwendun- gen. Dabei lassen sich gezielt vielfältige Eigenschaften ein prägen: Lebensmittel werden mittels Kunststoffen hygienisch sicher und haltbar verpackt; als Dämm- und Dichtungsmaterialien mit besonderen Brandschutzeigen schaften sind sie ein modernes Baumaterial und als techni- sche Kunststoffe bieten sie in Primär- und Sekundär bauteilen – oft hochkomplex geformt mit definierten isolierenden, vibrationsdämmenden, sensorischen oder aktorischen Funktionen – effektive und effiziente Funk tionsmerkmale und Leichtbaupotenziale. Doch Kunst stoffe werden trotz ihrer unstrittig außerordentlich positiven tech- nischen Eigenschaften zunehmend kritisch diskutiert. Sie stehen exemplarisch für moderne Umwelt probleme in Form von Mikroplastik oder die Verschmut zung der Meere, die wir mit unserer Forschungs- arbeit zu reduzieren helfen. Circular Economy Im Leistungsfeld Circular Economy arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer LBF an nachhaltigen, dauerhaften und umwelt- verträglichen Kunststofflösungen, vom Molekül über die Formulierung, von der chemisch-physikalischen Charakterisierung über die Synthese bis hin zur Validierung, von der Nutzung über den »End of Life« zur Wiederverwertung – und ändern line- are in zirkuläre Prozesse. Die besondere Stärke des LBF ist die massive Kompetenz in der Additivierung von Kunststoffen, um ganz spezifische Materialeigenschaften einzustellen. So können Biopolymere aus nach wachsenden Rohstoffen auch für anspruchsvolle technische Anwendungen hinsichtlich Lebensdauer, Degradation oder Leistungsfähigkeit eingestellt und ertüchtigt werden. Andererseits ermög- lichen innovative Additivsysteme eine ver- besserte Prozessierbarkeit und verbesserte Endeigen schaften von Rezyklatmaterial. Darüber hinaus können durch Additivsys- teme im Sinne eines Upcyclings die Mög- lichkeiten des werkstofflichen Recyc lings herkömm licher Polymere deutlich erwei- tert werden. Ein weiteres Forschungs feld liegt in der Entwicklung von Bioadditiven als Substitute für kommerzielle Systeme, welche hinsichtlich Qualität und Leistungs- fähigkeit mit herkömmlichen Additiven vergleichbare Eigenschaften erreichen und diese teils deutlich übertreffen, z. B. für die Witterungsbeständigkeit oder den Flammschutz von Polymeren. 29

Circular Economy Rezyklate für nachhaltige Strukturbauteile in Hausgeräten Der Einsatz von Recyclingkunststoff in technisch hochbelasteten Bauteilen Das Fraunhofer LBF hat in Koope- ration mit der Robert Bosch GmbH und BSH Hausgeräte GmbH den Einsatz recycelter Kunststoffe in technisch hochbelasteten Anwen- dungen hinsichtlich morphologi- scher und mechanischer Eigenschaf- ten umfangreich untersucht und mit dem derzeitigen Neuwarenmaterial verglichen. Als Ausgangsmaterial dienten gebrauchte Batteriegehäuse aus Polypropylen, die zunächst zerkleinert, gereinigt, getrocknet und in einem anschließenden Compoun- dierprozess weiterverarbeitet wurden. Im Rahmen dessen wurden die Schmelze gesiebt, dazu mit Additiven, Stabilisatoren und Füllstoffen versehen und dann granu- liert. Zum Vergleich mit Neuwarenmaterial wurden dann an Materialproben umfang- reiche analytische und mechanische Unter- suchungen durchgeführt. Dabei wurden die Molmassenverteilung, der Kristallini- tätsgrad oder die Verunreinigungen durch Metalle oder Fremdpolymer, die Wechsel- wirkungen von statischer und zyklischer Belastung von Kerben, Bindenaht, sowie die Temperatur, das Belastungsverhältnis und die Alterung auf die Lebensdauer untersucht. Als prototypische Anwendung haben die Forschenden das Rezyklatmaterial als Ersatz für das bisherige Neuwarenmaterial für einen im Spritzgießverfahren herge- stellten und im Betrieb hochbelasteten Basisträger einer Geschirrspülmaschine eingesetzt und validiert. Anhand von Bau- teilversuchen und numerischen Berech- nungen konnte gezeigt werden, dass das Rezyklatmaterial die zyklischen Belastun- gen betriebsfest ertragen kann. Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ rezyklate Perfekter Kreislauf: Aus gebrauchten Gehäusen von Starterbatterien können neue Hausgeräte entstehen, hier der Basisträger einer Geschirrspülmaschine. Kontakt R E Z Y K L AT E, N ACH H A LT I G K EI T, Z U V ER L Ä SS I G K EI T Dominik Spancken +49 6151 705-412 dominik.spancken@ lbf.fraunhofer.de 31

Plastics Economy » Was wir heute tun, entscheidet darüber, wie morgen die Welt aussieht.« Marie von Ebner-Eschenbach Die Natur stellt eine reichhaltige Auswahl an antioxidativ hochwirksamen Verbindungen zur Verfügung, welche allerdings im Hinblick auf ihren Einsatz im Kunststoff maßgeschneidert werden müssen. Plastics Economy Biostabilisatoren als Teil der Nachhaltigkeitswende Kunststoffe durchlaufen im Zuge ihres Lebenszyklus von Verarbei- tung, Anwendung bis hin zum Recyc ling verschiedenste Belastun- gen, welche in der Folge zu einem Verlust ihrer mechanischen und visuellen Eigenschaften führen. Entsprechend ist es erst der Zusatz von Additiven, der es dem Kunst- stoff erlaubt, den höheren Anfor- derungen an Lebensdauer, Dauer- gebrauchstemperatur und Qualität gerecht zu werden. Im Rahmen des Exzellenzclusters (CCPE) werden am Fraunhofer LBF in Kooperation mit Partnerinstituten des Clusters neue, innovative Stabilisatorsysteme auf Basis von biogenen Bausteinen entwickelt und evaluiert. Bislang verwendete Stabilisatoren sind vorrangig petrochemischen Ursprungs, darüber hinaus können diese infolge ihres geringen Molekulargewichts aus der Kunststoffmatrix migrieren. Um eine solche Kontamination mit fossilbasierten Derivaten zu verhindern, nachhaltige Alternativen zu schaffen und Kreislauf- wirtschaft zu etablieren, bietet sich der Einsatz von natürlich vorkommenden Strukturen an. Die am Fraunhofer LBF neu entwickelten Stabilisatorsysteme aus natürlich vor- kommenden Verbindungen zeigen sich hinsichtlich ihrer stabilisierenden Wirkung in Polyolefinen wie Polypropylen sowie in Biopolymeren, wie Polymilchsäure und Naturkautschuk, den gängigen kommer- ziellen Beispielen ebenbürtig, in gewis- sen Bereichen sogar überlegen. Für den Kunden ergibt sich daraus die Möglichkeit, sein Portfolio mit leistungsfähigen Alter- nativen zu ergänzen und gleichzeitig dem Wunsch von Gesellschaft und Politik nach nachhaltigen, neuen Lösungen gerecht zu werden. K U N S T S TO F FA D D I T I V E, P R OZ E SSS TA B I L I S ATO R EN , B I O G EN E BAUS T EI N E Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ plastics­economy Kontakt Dr. Elke Metzsch-Zilligen +49 6151 705-8609 elke.metzsch-zilligen@ lbf.fraunhofer.de 33

Ultra Lightweight Design Mit Leichtigkeit mehr Effizienz für kommerziell erfolgreiche Produkte Leichtbau ist schon lange keine »techni- sche Nischenlösung« für Flugzeuge oder innovative Sportfahrzeuge mehr. Viel- mehr sind bezahlbare Leichtbaulösungen zur best möglichen Masse- und Energie- effizienz in allen beweg lichen Systemen wie in der Produktion und im Betrieb von bauteil- und systemtechnischer Ebene. Darüber hinaus werden Methoden des Material- sowie des konstruktiven und des systemischen Leichtbaus zusammen- geführt. Das Fraunhofer LBF bündelt seine Kompetenzen in den Forschungs- bereichen Kunststoffe, Betriebsfestigkeit und Adaptronik und entwickelt zudem neuartige Lösungen des funktionsinteg- rierten, intelligenten Leichtbaus, immer » Mit unserer Forschung erweitern wir die Grenzen des Machbaren und entwickeln radikal leichte, eigenschafts optimierte Strukturlösungen.« Produkten ein Schlüssel zum Erreichen der klima politischen Ziele im Fahrzeugbau, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Ener- gie- oder der Baubranche. Ohne Leichtbau sind kommerziell erfolgreiche Produkte, wie z. B. in der Elektromobilität, immer weniger oder gar nicht möglich. Und erfolgreicher, sicherer Leichtbau erfordert zwingend umfassendes Know-how in Zuver lässigkeit und Betriebsfestigkeit. Im Leistungsfeld Ultra Lightweight Design geht das LBF noch weiter an die Grenzen des Machbaren. Basis ist das ganzheitliche Wissen auf werkstoff-, unter Berücksichtigung der Zuverlässig- keit, Nach haltigkeit und Bezahlbarkeit der technischen Produkt lösung. Wissenschaft- lerinnen und Wissenschaftler forschen interdisziplinär und entwickeln Lösungen z. B. für funk tionalisierte Polymere, funktionsintegrierte Faser-Verbund-Sys- teme, Mono- und Multimaterialsysteme, numerische und experimentelle Methoden der Zuver lässigkeits- und Lebensdauer- bewertung von Leichtbau lösungen sowie der Nutzung integrierter Sensoren und Aktoren zur Über wachung und Eigen- schaftsoptimierung von Strukturen. 35

L e i t p r o j e k t * Design des ALBACOPTER® 0.5 (© Fraunhofer IOSB) Experimental Vertical Take-Off and Landing Glider (VTOL-G) Die Entwicklung von Drohnen boomt. Sie kommen vielfältig zum Einsatz: in der Freizeit beispielswei- se im Kunstflug, bei Drohnenrennen oder zum Filmen; in der professio- nellen Anwendung als Überwa- chungstool oder zum Transport von wichtigen Gütern. Drohnenherstel- ler erfreuen sich an einer steigenden Nachfrage. Im Leitprojekt ALBACOP- TER® forscht ein Fraunhofer­Team an Drohnen einer erweiterten Payload- klasse. Im Fokus stehen die Entwick- lung von eVTOL­Glidern, die in der ersten Variante eine Startmasse von 125 kg haben werden. Im ALBACOPTER®-Team ist das Fraunhofer LBF für die aerodynamische und struktur- mechanische Auslegung und Konstruktion der Tragflächen und des Rumpfes ver ant- wortlich. Der Rumpf wird in Skelett bau- weise aus pultrudierten Profilen und Knotenelementen mit der Anforderung ausgelegt, alle notwendigen Komponen- ten wie Tragfläche, Batterie, Transport box, Sensorsysteme und Elek tronik, sicher zu integrieren. Darüber hinaus entwickelt das Darmstädter Team den elektrischen Ener- giespeicher inklusive eines eigenen Batte- riemanagementsystems. Herausforderung ist, den für die senkrechte Flugphase sehr hohen Energiebedarf ohne Systemüber- hitzung zu decken. Darüber hinaus muss der Zellverband möglichst massearm gestaltet werden. Die Gesamtmasse des ALBACOPTER® 0.5, inklusive der Nutzlast, ist auf 125 kg limitiert. E V TO L- G L I D ER , T R A N SP O R T D R O H N E, AERODYNAMIK, STRUK TUR AUSLEGUNG, KO M P L E X E BAT T ER I E S Y S T EM E * Über das Projekt: »ALBACOPTER®« ist ein Leitprojekt der Fraunhofer-Gesellschaft. Es wurde zum 01.01.2021 gestartet und hat eine Projektdauer von vier Jahren. Die beteiligten Institute sind IVI, IOSB, IEM, ICT, IMS und LBF. Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ albacopter Ansprechpartner Dr. Saskia Biehl +49 6151 705-282 saskia.biehl@ lbf.fraunhofer.de 37

Nutzung von Lokalresonanzen Vibroakustische Metamaterialien erzeugen Stoppbänder durch die Nutzung von Lokalresonanzen. Aufbau: Periodische Anordnung von lokalen Resonatoren auf einer Grundstruktur Jeder Resonator stellt ein Feder- Masse­System dar, welcher auf eine oder mehrere Resonanz- frequenzen agestimmt ist. Kleinskaligkeit der Einheitszellen lassen sich vibroakustische Metamaterialien bei großer Design- und Gestaltungsfreiheit gut integrieren und mit im Fahrzeugbau bedeutsamen statischen, fahrdynamischen und crashrelevanten Auslegungsanforde- rungen vereinbaren. Beispielhafte Umsetzung von vibro- akustischen Metamaterialien an einem Fahrzeugmodell. In dem durch das BMWi geförderte Pro- jekt »viaMeta« arbeitet das Fraunhofer LBF, gemeinsam mit Partnern aus Wissen- schaft und Industrie an der Entwicklung einer Designsystematik der Metamateriali- en und der Modellierungen zu Simulation und Optimierung von Materialkomponen- ten in einem virtuellen Fahrzeugprototyp. Deren Leichtbau- und Komfortwirkung wird anschließend in Demonstratoren in realen Fahrzeugen evaluiert. Ergebnis: Durch das Schwingverhalten der Lokalresonanzen werden negative effektive Masseeigenschaften der Gesamtstruktur erzeugt. Es entsteht eine Leichtbaustruktur mit hoher Schwingungsminde- rung und reduzierter akustischer Abstrahlung. »Silent Running« – vibro - akustische Metamaterialien zur Schwingungs minderung in der Raumfahrt Der Einsatz vibroakustischer Metamateria- lien wird im Projekt »Silent Running« an einer zylindrischen Komponente, die z. B. eine Launcheroberstufe darstellt, demons- triert. Dafür wird als finaler Demonstrator eine skalierte zylindrische Struktur aus Faser- Kunststoff-Verbund mit vibroakustischen Metamaterialien in differenzieller Bauweise (d. h. Resonatoren werden zusätzlich auf die Zielstruktur aufgebracht) umgesetzt. Insgesamt konnte mit der im Projekt entwickelten Lösung das gewünschte Schwingungsminderungsverhalten im Bereich von 100 bis ca. 200 Hertz um die Faktoren bis 60 Dezibel reduziert werden. Ein breitbandiges Dämpfungsverhalten wurde im Frequenzbereich bis 600 Hertz beobachtet. Dies bestätigt die Wirksam- keit des Konzeptes und zeigt das hohe Potenzial vibroakustischer Metamaterialien für Raumfahrtstrukturen auf. V I B R OA K US T I S CH E M E TA M AT ER I A L I EN , PA SS I V E S CH W I N G U N GSM I N D ER U N G , KO M F O R T, L EI CH T BAU Numerisches Modell einer Rakete als Anwendungs- fall für vibroakustische Metamaterialien. Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ viameta www.lbf.fraunhofer.de/ silent-running 39

Future Mobility Bündelung von Kompetenzen für nachhaltige, vernetzte und autonome Mobilität Die Mobilität befindet sich in einem nach- haltigen Trans formationsprozess. Sie wird zunehmend als vernetztes System unter- schiedlicher Mobilitätsträger und Betrei- bermodelle verstanden. Nicht zuletzt durch die Kritik hinsichtlich zunehmender Belastungen im Kontext des Klimawan- dels und der nötigen Dekarbonisierung sind die Anforderungen an die mobile Ressourceneffizienz nochmals massiv gestiegen. Sie fordern die Entwicklung neuer Antriebstechnologien, leichterer Bauweisen und alternativer Mobilitäts- konzepte heraus. Die fortschreitende Elektrifizierung mobiler Systeme, die Intermodalität der Verkehrsträger und die Einführung zuneh- mend auto matisierter Fahrfunktionen sind in technischer und organisatorischer Sicht ein wesentlicher Baustein der zukünftigen Mobilität. Gleiches gilt für die verstärkte Nutzung und Entwicklung neuer Klein- und Kleinst fahrzeuge im Individualver- kehr, wie z. B. Pedelecs, Lastenfahrräder, E-Scooter – oder auch zunehmend Drohnen. Das Thema Shared-Mobility bietet ebenfalls technische Herausforde- rungen von smarten digitalen Lösungen, App-Entwicklungen, verteilten Funktionen bis hin zur Materialtechnologie – zumal hier gänzlich neue Nutzungsszenarien zu beherrschen sind. Neue zukünftige Mobilitätslösungen, egal ob zu Lande – auf Straße oder Schiene –, zu Wasser oder in der Luft müssen vordergründig sicher und zuver- lässig funktio nieren, gleichzeitig jedoch kostengünstig und effizient realisiert und betrieben werden können. Darüber hinaus müssen sie aber auch den weiter steigenden Anforde rungen an Anzahl der Mobilitätsträger, an Individua li sierung und an Nachhaltigkeit im Personen-, im Nutzfahrzeug- und im Sonderfahr- zeugbereich genügen. Damit verbunden sind Fragen nach geeigneten Leichtbau- lösungen, zuverlässiger Auslegung von Systemen, intelligenten Struktur- und Überwachungsfunktionen, nachhaltigen Materialien bis hin zu der Nutzung von Biowerkstoffen zu beantworten. Das Leistungsfeld Future Mobility am Fraunhofer LBF bündelt in diesem Zusammen hang die Arbeiten der ande- ren Leistungsfelder hinsicht lich deren Anwendung in Mobilitätslösungen, z. B. cyber physische Methoden zur entwick- lungsbegleitenden Validierung neuer Mobilitätstechnologien, alternative Antriebskonzepte, bauteilintegrierte Batteriesysteme oder neuartige Ultra- leichtbaulösungen. Einen Schwerpunkt der Arbeiten bildet die Elektromobilität sowohl mit batterie-elektrischen als auch Brennstoffzellensystemen. 41

Im Fraunhofer LBF forschen wir auch an der Sicherheit und Systemzuverlässigkeit von Wasserstoffkomponenten. Maßgeschneiderte »grüne« Materialien für »grünen« Wasserstoff in Hessen Wasserstoff-Leistungszentrum in Hessen Wasserstoff gilt als einer der Grund- pfeiler für eine klimaneutrale, nach- haltige Energiequelle sowohl für die stationäre Energieversorgung als auch für die mobile Anwendungen. Neben der nachhaltigen Erzeugung (»grüner Wasserstoff«) bestehen Herausforderungen in der zuverläs- sigen Auslegung von Wasserstoff- technologien und deren Komponen- ten sowie der Reduktion des Bedarfs an kritischen Materialien, etwa in Elektrolyseuren. Im neuen Leistungszentrum »Green- Mat4H2 – Green Materials for Hydrogen« der Fraunhofer-Gesellschaft widmen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoff- kreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS und dem Fraunhofer-Institut für Betriebs- festigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF der Lösung dieser Herausforderungen mit dem Ziel »grüne« Materiallösungen für die Wasserstoffwirtschaft zu entwickeln und die Zuverlässigkeit von Wasserstoff- beaufschlagten Systemen sicherzustellen. Die Aktivitäten umfassen den gesamten Lebenszyklus des Wasserstoffs, von der Erzeugung über die Speicherung/Trans- port bis hin zur Nutzung. Die Forschungs- arbeiten konzentrieren sich u. a. auf die Entwicklung und Validierung nachhaltiger Materialien sowie die Entwicklung von Analyse- und Validierungsmethoden zur Zuverlässigkeitsbewertung und Lebensdauerabschätzungen von Mate- rialien, Bauteilen und Komponenten in Wasserstoffsystemen. N ACH H A LT I G K EI T, G R Ü N ER WA SSER S TO F F, Z U V ER L Ä SS I G K EI T, M AT ER I A L EN T W I CK LU N G Kontakt Dr. Christoph Bleicher +49 6151 705-8359 christoph.bleicher@ lbf.fraunhofer.de Weitere Informationen online www.leistungszentrum- wasserstoff-hessen.de 43

» Veranstaltungs-Highlights Mit dem virtuellen Kongress hat das Fraunhofer LBF für einige Aufmerksamkeit in der Branche gesorgt.« Teilnehmer-Feedback zum Kongress »InCeight Casting C8« Veranstaltungs- Highlights 2021 Es gab eine Reihe virtueller Veranstaltungen sowohl mit LBF-Beteiligung als auch unter unserer Leitung. Vom »Bürgerdialog« über Workshops zu Spezialthemen bis zu einem virtuellen Kongress. In der zweiten Jahreshälfte konnten wir dann endlich auf einigen Messen wieder persönlichen Kontakt zu Interessierten aufnehmen. 45

Innovatives Thermomanagement in Brennstoffzellen­Luftverdichtern » Unter dem Hashtag #LBFSpotlights bieten wir regel mäßig Online- Seminare an.« »Vibroakustische Metamaterialien« Motivation – Potenziale – Lösungen »Rezyklate aus dem Gelben Sack« Vibroakustische Metamaterialien beeinflussen schäd- liche Schwingungen mittels Resonatoreffekt. Sie könnten als neuartige Schwingungsminderungsmaßnahme in den verschiedensten Branchen zum Einsatz kommen, beispielsweise im Maschinen- und Fahrzeugbau oder in der Raumfahrt. Vibroakustische Metamaterialien mindern störenden Körperschall oder helfen, Gerätschaften zu stabilisieren und Komfort zu steigern. Im Fraunhofer LBF werden numerische und experimentelle Methoden erarbeitet, um die Forschungslücke im systematischen Auslegungsprozess für vibroakustische Metamaterialien zu schließen und für die industrielle Anwendung nutzbar zu machen. Rezyklate sind kein Abfall, sondern wertvoller Rohstoff. LBF-Experten informierten über die Verträglichkeit und Charakterisierung von Rezyklaten sowie die Möglichkei- ten, diese auch für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Rund 180 Teilnehmende, überwiegend aus der Industrie, zeigen die Relevanz der Thematik und wie etabliert das Fraunhofer LBF hier ist. Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ veranstaltungen 47

Betriebsfestigkeit Die Betriebsfestigkeit, als eine der leistungsfähigsten Methoden zur lebens- dauerorientierten Bemessung von Bauteilen und Strukturen bildet seit der Gründung des Fraunhofer LBF das Funda- ment unserer der Forschungsaktivitäten. » Wir machen Leichtbau. Zuverlässig.« Die Mobilitätsindustrie, der Maschinen- und Anlagenbau oder die erneuerbaren Energien profitieren von gleichermaßen leichten und für die gesamte Betriebs- und Nutzungsphase sicher und zuver- lässig gestalteten Produkten. Wir haben mit dem 8-Stufen Blockprogramm von Ernst Gaßner einen wichtigen Teil in der Geschichte der Betriebsfestigkeit geschrieben. Heute verknüpfen wir die modernsten numerischen, messtechni- schen und experimentellen Verfahren der Betriebsfestigkeit zu einer Lösungs- qualität, die unserem hohen Anspruch entspricht. Methoden und Verfahren zur lebensdauerorientierten Bemessung von Strukturen und der Nachweis von Sicherheit und struktureller Integrität sind unsere Kernkompetenzen. Diese finden Sie in erfolgreichen Produkten, in Werk- stoff- und Bauteilinnovationen sowie in neuartigen Prozessen, wie z. B. in der additiven Fertigung. Im Zuge der Digitali- sierung werden diese Kernkompetenzen um leistungsfähige Instrumente der cyber- physischen Simulation und einer vom LCF- bis hin zum VHCF-Regime durchgängigen Beschreibung zyklischer Werkstoffeigen- schaften erweitert. Mit hoher Anwendungsorientierung for- schen und arbeiten wir für die lebensdau- erorientierte Gestaltung sicherer Bauteile, Baugruppen und Systeme im Straßen- und Schienenfahrzeugbau, in der Schifffahrt, in der Luftfahrt, aber auch im Kranbau oder für Windenergieanlagen. Vom Werk- stoff bis zur kompletten Struktur – unsere beiden Abteilungen »Werkstoffe und Bau- teile« und »Baugruppe und Systeme« sind spezialisiert und unterstützen Sie fach- männisch, z. B. bei Fragestellungen der Betriebsfestigkeitsbewertung von metal- lischen Werkstoffen und Bauteilen, der Entwicklung von numerischen Methoden, der Beschreibung komplexer Kinematiken mittels Mehrkörpersimulation (MKS) sowie dem Aufbau und Verifikation entspre- chender Modelle bis zum Gesamtfahrzeug oder der Ableitung zeitgeraffter Versuchs- programme für die Laborerprobung. Forschungsbereiche Bereichsleiter Betriebsfestigkeit und Systemzuver lässigkeit Rüdiger Heim +49 6151 705-283 ruediger.heim@ lbf.fraunhofer.de www.lbf.fraunhofer.de/ betriebsfestigkeit 49

Forschungsbereiche Bereichsleiter Kunststoffe Prof. Dr. Rudolf Pfaendner +49 6151 705-8605 rudolf.pfaendner@ lbf.fraunhofer.de www.lbf.fraunhofer.de/ kunststoffe Kunststoffe Spitzenprodukte können heute nur über einen zuverlässigen und schnellen Zugang zu innovativen und leistungsfähigen Mate- rialien und Werkstoffen wettbewerbsfähig auf den Weltmärkten angeboten werden. Maßgeschneiderte Kunststoffe, Kunst- stoff-Additive und Kunststoff-Verbunde sowie Kunststoffverarbeitungstechno- logien tragen wesentlich dazu bei, die großen globalen Herausforderungen auf den Gebieten Mobilität, Energie, Umwelt, Kommunikation, Gesundheit, Ernährung und Sicherheit zu meistern. Kunststoffe bieten ein immenses Energie- und Res- sourceneinsparpotenzial sowie vielfältige Leichtbauoptionen. Insbesondere faser- verstärkt, partikelgefüllt, geschäumt oder in Sandwich-Strukturen integriert, können Kunststoffe höchsten Belastungen Stand halten und erhebliche Mengen an Energie absorbieren. Sie können mit zusätzlichen Funktionalitäten etwa zum Schutz vor UV-Strahlung und Witterungseinflüssen sowie im Interesse reduzierten Brand- verhaltens, zur Entwicklung spezieller optischer Eigenschaften, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, sensorischer und aktuatorischer Funktion versehen werden. Gleichzeitig erfordern zunehmen- de Anforderungen an Nachhaltigkeit neue Lösungen hinsichtlich Kreislaufwirtschaft und Recycling oder der Entwicklung von Biokunststoffen. Alle zur Realisierung anspruchsvoller Kunststoffanwendungen relevanten Kom- petenzen, beginnend bei den grundlegen- den naturwissenschaftlichen Disziplinen wie Chemie und Physik über die Mate- rialwissenschaft und Werkstofftechnik in der Verarbeitung bis hin zur Expertise in Analytik, Prüfung und Modellierung, sind auf hohem Niveau unter einem Dach vereint. Dafür stehen die vier fachlich und methodisch sich untereinander ergänzen- den Fachabteilungen »Additivierung und Dauerhaftigkeit«, »Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung«, »Materialanalytik und Charakterisierung« sowie »Synthese und Formulierung«. » Wir entwickeln langlebige und sichere Kunststoffe mit verbesserter Recyclingfähigkeit sowie neue Technologien für eine effiziente Kreislaufwirtschaft.« 51

Institutsleitung Institutsleiter Prof. Dr.-Ing. T. Melz tobias.melz@lbf.fraunhofer.de Bereich Kunststoffe Stabsstellen Prof. Dr. rer. nat. R. Pfaendner +49 6151 705-8605 rudolf.pfaendner@lbf.fraunhofer.de Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung Dr.-Ing. C. Beinert +49 6151 705-8735 christian.beinert@lbf.fraunhofer.de Materialanalytik und Charakterisierung Dr. R. Brüll +49 6151 705-8639 robert.bruell@lbf.fraunhofer.de Additivierung und Dauerhaftigkeit Dr. E. Metzsch-Zilligen +49 6151 705-8609 elke.metzsch-zilligen@lbf.fraunhofer.de Synthese und Formulierung Dr. F. Schönberger +49 6151 705-8705 frank.schoenberger@lbf.fraunhofer.de Assoziiertes Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik Prof. Dr.-Ing. T. Melz www.sam.tu-darmstadt.de Wissenschaftsmanangement Prof. Dr.-Ing. T. Bein +49 6151 705-463 thilo.bein@lbf.fraunhofer.de Strategisches Management Dr.-Ing. S. Biehl +49 6151 705-282 saskia.biehl@lbf.fraunhofer.de Wissenschaftlich­Technische Betriebsorganisation Dr. K. Burlon +49 6151 705-8899 konrad.burlon@lbf.fraunhofer.de Technologiemarketing und Kommunikation H. Hahnenwald +49 6151 705-8330 heiko.hahnenwald@lbf.fraunhofer.de Organisationsentwicklung I. Langer +49 6151 705-648 ilona.langer@lbf.fraunhofer.de Arbeitsschutz R. Wirth +49 6151 705-332 reinhard.wirth@lbf.fraunhofer.de 53

Berlin Chemnitz Bremen Dortmund Oberhausen Düsseldorf Köln St. Augustin Euskirchen Frankfurt a. M. Wiesbaden Hanau Darmstadt Pfinztal Ettlingen Freiburg München Fraunhofer Netzwerk Simulation Fraunhofer Geschäftsbereich Adaptronik Fraunhofer Forschungsfeld Leichtbau 55